(57)【要約】【課題】安価で、体積抵抗及び接触抵抗が低く、耐食性に優れ、更には、リサイクルが可能で、長期に渡って使用可能な固体高分子型燃料電池用セパレータ、並びに、該セパレータの製造方法を提供する。【解決手段】金属粉２と、バインダーとしての熱可塑性樹脂３と、黒鉛粉４とからなる混合物をプレスしてなる固体高分子型燃料電池用セパレータ１、並びに、金属粉２と、バインダーとしての熱可塑性樹脂３と、黒鉛粉４とからなる混合物を溝形状を有する金型に充填し、加熱加圧焼成して不動態膜５生成処理を施すことを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ１の製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉と、バインダーとしての熱可塑性樹脂と、黒鉛粉とからなる混合物をプレスしてなる固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記金属粉が、不動態膜を生成することが可能な金属からなることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記不動態膜を生成することが可能な金属が、アルミニウム、ステンレス及びチタンからなる群から選択される少なくとも一種の金属であることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記金属粉の含有率が20〜40体積％であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記熱可塑性樹脂の含有率が20〜30体積％であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記黒鉛粉の含有率が40〜60体積％であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
金属粉と、バインダーとしての熱可塑性樹脂と、黒鉛粉とからなる混合物を溝形状を有する金型に充填し、該混合物を加熱加圧焼成して、金属粉に不動態膜生成処理を施しつつ成形することを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池用セパレータ及び該固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法に関し、特に安価で、体積抵抗及び接触抵抗が低く、耐食性に優れ、更には、リサイクルが可能で、長期に渡って使用可能な固体高分子型燃料電池用セパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電効率の優れた電池として、固体高分子型燃料電池が注目を集めている。該固体高分子型燃料電池は、アノード用セパレータに、アノード電極、触媒、固体高分子膜、触媒、カソード電極、カソード用セパレータを順次積層して構成されおり、水素又はメタノール等の燃料と酸素とを用いて発電が可能である。ここで、セパレータは、燃料と酸素とを別々にアノード極側とカソード極側に供給する流路として機能すると共に、燃料の酸化反応によって生じる電子を伝える通電体としての機能も有する。そのため、セパレータの導電性は、燃料電池の性能に大きく影響する。
【０００３】
従来、上記アノード用セパレータ及びカソード用セパレータとしては、熱硬化性樹脂をバインダーとした黒鉛製セパレータが主に用いられている。しかしながら、該熱硬化性樹脂を用いた黒鉛製セパレータにおいては、精密な機械加工が必要なためコストが高く、また、該黒鉛製セパレータは、リサイクル性に乏しいという欠点を有している（特許文献１参照）。また、加熱成形中に熱硬化性樹脂から水が発生し、該水に起因してセパレータ中に気泡が形成され、セパレータのガス遮蔽性が低下するという問題があり、この問題に対しては、例えば、金型に金属板を配置し、該金属板の両側にカーボン粉をフェノール樹脂で被覆した焼成材料を充填し、該焼成材料を大気中で加熱焼成してセパレータを形成することで、セパレータのガス遮断性を改善できることが知られているが（特許文献２参照）、コスト及びリサイクル性に関しては、依然として改善の余地がある。
【０００４】
また、上記黒鉛製セパレータの他にも、チタンやステンレス製の金属製セパレータが知られている。しかしながら、燃料電池のセパレータの使用環境は、非常に酸性が強いため、金属製セパレータにおいては、金属の表面に耐食性の高い金属をメッキする等して耐食性を向上させる必要があり、コストが上昇してしまうという問題がある。また、燃料電池は複数のセルを積層して使用されることが多く、軽量化の要請が強いのに対し、金属製セパレータを使用すると燃料電池の重量増加が大きいため、金属製セパレータの使用は重量の点でも問題がある。
【０００５】
更に、金属製セパレータにおいては、金属の表面に不動態膜を生成させて、金属セパレータの耐食性を向上させることもあるが、この場合、セパレータの体積抵抗及び接触抵抗が上昇してしまい、燃料電池の電池性能が悪化するという問題があった。
【０００６】
これに対し、フェライト系ステンレス鋼基材にカーボン粉末を分散付着させてなる燃料電池用セパレータが提案されている（特許文献３参照）。該セパレータにおいては、カーボン粒子と基材との間の抵抗が低減されており、セパレータの接触抵抗及び接触抵抗を低減することができるものの、セパレータ表面が摩耗した場合に、ステンレス鋼基材が露出し、ステンレス鋼が露出した部分に不動態膜が形成され、セパレータの体積抵抗及び接触抵抗が上昇してしまうという問題があった。
【０００７】
【特許文献１】国際公開第０１／０８５８４９号パンフレット
【特許文献２】特開２００３−２１７６０９号公報
【特許文献３】特開２０００−２７７１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題を解決し、安価で、体積抵抗及び接触抵抗が低く、耐食性に優れ、更には、リサイクルが可能で、長期に渡って使用可能な固体高分子型燃料電池用セパレータを提供することにある。また、本発明の他の目的は、かかる固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、金属粉と、熱可塑性樹脂と、黒鉛粉とからなる混合物をプレスして固体高分子型燃料電池用セパレータを成形することで、安価で且つリサイクルが可能で、体積抵抗及び接触抵抗が低く、耐食性に優れた固体高分子型燃料電池用セパレータが得られ、該セパレータは、セパレータ内部まで黒鉛粉が均一に混入されているため、表面が摩耗しても体積抵抗及び接触抵抗の変化が小さく、長期に渡って使用可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１０】
即ち、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータは、金属粉と、バインダーとしての熱可塑性樹脂と、黒鉛粉とからなる混合物をプレスしてなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータの好適例においては、前記金属粉が、不動態膜を生成することが可能な金属からなる。ここで、該不動態膜を生成することが可能な金属としては、アルミニウム、ステンレス及びチタンが好ましい。
【００１２】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータの他の好適例においては、前記金属粉の含有率が20〜40体積％である。この場合、セパレータの導電性及び機械的強度を十分に確保することができる。
【００１３】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータの他の好適例においては、前記熱可塑性樹脂の含有率が20〜30体積％である。
【００１４】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータの他の好適例においては、前記黒鉛粉の含有率が40〜60体積％である。この場合、セパレータの接触抵抗を十分に低下させつつ、セパレータの機械的強度を十分に確保することができる。
【００１５】
また、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法は、金属粉と、バインダーとしての熱可塑性樹脂と、黒鉛粉とからなる混合物を溝形状を有する金型に充填し、該混合物を加熱加圧焼成して、金属粉に不動態膜生成処理を施しつつ成形することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、金属粉と、熱可塑性樹脂と、黒鉛粉とからなる混合物をプレスしてなり、安価で、体積抵抗及び接触抵抗が低く、耐食性に優れ、リサイクルが可能で、長期に渡って使用可能な固体高分子型燃料電池用セパレータを提供することができる。また、かかる固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータを図を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータの一例の断面図を示す。図示例の固体高分子型燃料電池用セパレータ１は、金属粉２と、バインダーとしての熱可塑性樹脂３と、黒鉛粉４とからなる混合物をプレスしてなる導電性成形体であり、該成形体の外表面部に位置する金属粉２には不動態膜５が形成されている。なお、通常、セパレータ１には、燃料及び酸素等を流すための流路が形成されているが、図１においては、簡略化のために流路を省略してある。
【００１８】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータ１の内部は、黒鉛粉４が均一に分散していると共に金属粉２に不動態膜５が生成していないため、導電性が良好で、体積抵抗が十分に低い。一方、セパレータ１の外表面部の金属粉２には不動態膜５が生成しているため、セパレータ１は、固体高分子型燃料電池の使用環境においても十分な耐食性を有しており、また、黒鉛粉４がセパレータ１の外表面部にも均一に分散しているため、表面に黒鉛粉４が一部露出しており、該露出部分の体積抵抗及び接触抵抗が低い。そのため、セパレータ１の外表面部も、導電性が良好で、電極等の隣接部材との接触抵抗が十分に抑制されている。また、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータ１は、安価且つ簡単に精度良く作製でき、精密な機械加工が不要なため、従来の黒鉛製セパレータよりも低コストであり、更に、黒鉛粉４及び熱可塑性樹脂３を含むため、従来の金属製セパレータよりも軽量であり、また更に、体積抵抗が金属製セパレータと同等程度に低く、耐食性が金属製セパレータよりも優れている。
【００１９】
加えて、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータ１においては、黒鉛粉４がセパレータ全体に均一に混入されているため、表面が摩耗したり、表面に傷が入った場合でも、順次内部に含まれる金属粉２及び黒鉛粉４が露出し、金属粉２については、セパレータの使用環境下で不動態膜５が形成されるため、初期と同様の表面が形成される。そのため、摩耗や傷によるセパレータの性能劣化を防止することができ、長期に渡って使用可能である。
【００２０】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータに用いる金属粉は、不動態膜を生成することが可能な金属からなるのが好ましく、該不動態膜を生成することが可能な金属としては、アルミニウム、ステンレス及びチタン等が好ましい。これら不動態膜を生成することが可能な金属からなる金属粉は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。なお、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、不動態膜は、主として金属酸化物からなる。
【００２１】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータにおける上記金属粉の含有率は、20〜40体積％の範囲が好ましい。セパレータ中の金属粉含有率が20体積％以上であれば、セパレータに十分な導電性を付与することができ、一方、40体積％を超えると、セパレータの機械的強度が低下したり、生成する不動態膜が厚くなるため、セパレータの導電性を十分に確保することが難しくなる。なお、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータの体積抵抗率は、7.0×10-3〜9.0×10-2Ω・cmの範囲が好ましい。
【００２２】
上記金属粉の粒径は、10〜100μmの範囲が好ましい。金属粉の粒径が100μmを超えると、樹脂との混練が難しくなり、所望の体積含有率にならなくなってしまい、10μm未満では、黒鉛粉の粒径より小さくなるので、バインダーとしての樹脂が金属粉間の空隙に入り込めず、セパレータ表面に位置する黒鉛粉の脱落が多くなり、表面の面粗度が悪くなって、燃料電池とした時に接触抵抗が増大してしまう欠点がある。
【００２３】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータにバインダーとして用いる熱可塑性樹脂としては、耐熱性、耐溶剤性、剛性、寸法安定性の観点から、ポリアミド、ポリアセタール及びポリブチレンテレフタレート等の汎用エンジニアリングプラスチック、並びにポリフェニレンサルファイド、ポリアミドイミド及びポリエーテルイミド等の特殊エンジニアリングプラスチックを好適に用いることができる。これら熱可塑性樹脂は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータは、バインダーとして熱可塑性樹脂を用いているため、リサイクルが可能である。
【００２４】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータにおける上記熱可塑性樹脂の含有率は、20〜30体積％の範囲が好ましい。セパレータ中の熱可塑性樹脂含有率が20体積％以上であれば、セパレータの機械的強度を十分に確保することができ、30体積％以下とすることで、セパレータの導電性を十分に確保することができる。
【００２５】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータにおいては、上記金属粉に生成する不動態膜の導電性が非常に悪いため、黒鉛粉を混入させる。該黒鉛粉としては、特に限定されるものではなく、従来、樹脂に導電性を付与するために用いられている黒鉛粉を用いることができる。該黒鉛粉の粒径は、10〜500μmの範囲が好ましく、10〜100μmの範囲が更に好ましい。黒鉛粉の粒径が10μm以上であれば、セパレータが十分な導電率を確保することができ、500μm以下であれば、ポーラスになり難く、強度的に低くなり過ぎることがない。
【００２６】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータにおける上記黒鉛粉の含有率は、40〜60体積％の範囲が好ましい。セパレータ中の黒鉛粉含有率が40体積％以上であれば、セパレータの外表面に黒鉛粉を突出させ、セパレータの接触抵抗を十分に低減することができ、また、60体積％以下とすることで、セパレータの機械的強度を十分に確保することができる。
【００２７】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータは、アノード用セパレータ及びカソード用セパレータとして用いることができ、例えば、アノード用セパレータ、アノード電極、触媒、固体高分子電解質膜、触媒、カソード電極、カソード用セパレータの順に積層して固体高分子型燃料電池を作製することができる。また、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータは、通常、表面に燃料及び酸素等を流すための流路を形成して用いられ、セルを積層して使用する場合は、両面に流路を形成して用いられるのが好ましい。該固体高分子型燃料電池は、セパレータの体積抵抗及び接触抵抗が低いため、電池特性に優れる。
【００２８】
次に、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法を図を参照しながら詳細に説明する。図２は、本発明の製造方法の製造フローの一例を示している。図示例のように、（１）金属粉と、熱可塑性樹脂と、黒鉛粉とからなる混合物を均一に混合し、（２）該混合物を金型に充填し、（３）該混合物を金型内で加熱加圧成形することで、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータを製造することができる。なお、金型内での加熱加圧成形により、金属粉に不動態膜生成処理が施され、セパレータに十分な耐食性を付与することができる。ここで、加熱加圧成形における加熱温度は、280〜300℃の範囲が好ましく、圧力は、30〜60MPaの範囲が好ましい。また、特に限定されるものではないが、セパレータの導電性を十分に確保する観点から、不動態膜の膜厚が1〜3μmの範囲になるように加熱加圧成形を行うのが好ましい。
【００２９】
以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００３０】
（実施例１）
アルミニウム粉［粒子径50μm］40体積％、黒鉛粉［日本カーボン製ＧＡ−４０, 粒子径50μm］40体積％と、粉末状ポリフェニレンサルファイド［大日本インキ化学製ＤＩＣ−ＰＰＳ］20体積％とを均一に混合し、該混合物を金型（アルミニウム製, 最高金型温度400℃）に仕込み、油圧プレス機（最大加圧能力65ｔ, 最大油圧力180kg/cm2）を用い加熱プレスして、厚さ5mmの導電性成形体を得た。得られた導電性成形体の体積抵抗率を三菱化学製ロレタス４端針式抵抗計で測定したところ、7.6×10-2Ω・cmであった。
【００３１】
（比較例１）
実施例１のセパレータと同じ寸法のＳＵＳ製セパレータを常法に従って試作し、該ＳＵＳ製セパレータの体積抵抗率を測定したところ、1.0×10-5Ω・cmであった。しかしながら、該ＳＵＳ製セパレータは、重量が実施例のセパレータの1.8倍であり、非常に重かった。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータの一例の断面図を示す。
【図２】本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータの製造フローの一例を示す。
【符号の説明】
【００３３】
１  固体高分子型燃料電池用セパレータ
２  金属粉
３  熱可塑性樹脂
４  黒鉛粉
５  不動態膜
【図１】
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【図２】
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